Kenneth Libbrecht é aquela pessoa rara que, em pleno inverno, sai alegremente do sul da Califórnia para um lugar como Fairbanks, no Alasca, onde as temperaturas no inverno raramente sobem acima de zero. Aí, ele lança uma parka e senta-se num campo com uma câmera e um pedaço de tábua de espuma, esperando pela neve.

Específicamente, ele procura os cristais de neve mais brilhantes, nítidos e bonitos que a natureza pode produzir. Os flocos superiores tendem a se formar nos lugares mais frios, diz ele, como Fairbanks e a neve no norte do estado de Nova York. A melhor neve que ele já encontrou foi em Cochrane, no remoto nordeste do Ontário, onde há pouco vento para bater flocos de neve enquanto eles caem pelo céu.

Não se acomoda aos elementos, Libbrecht escaneia sua prancha com a paciência de um arqueólogo, procurando flocos de neve perfeitos e outros cristais de neve. “Se houver um realmente bom lá, seu olho vai encontrá-lo”, disse ele. “Se não, você só escova isso e faz isso por horas”

Libbrecht é um físico. Seu laboratório no Instituto de Tecnologia da Califórnia investigou a estrutura interna do sol e desenvolveu instrumentos avançados para a detecção de ondas gravitacionais. Mas há 20 anos, a paixão da Libbrecht tem sido a neve – não só sua aparência, mas também o que a faz ter a aparência que tem. “É um pouco embaraçoso quando as coisas caem do céu, e é do tipo: ‘Por que tem esse aspecto? Me bate”, disse ele.

Por 75 anos, os físicos sabem que os pequenos cristais na neve se encaixam em dois tipos predominantes. Um é a icônica estrela plana, com seis ou 12 pontos, cada uma decorada com galhos de renda a condizer, em uma variedade vertiginosa de possibilidades. A outra é uma coluna, às vezes colada por tampas planas e às vezes parecida com um parafuso de uma loja de ferragens. Essas diferentes formas ocorrem em diferentes temperaturas e umidades, mas a razão disso tem sido um mistério.

Over os anos, as observações meticulosas da Libbrecht têm dado insights sobre o processo de cristalização da neve. “Ele certamente é o papa no domínio”, disse Gilles Demange, um cientista de materiais da Universidade de Rouen, na França, que também estuda cristais de neve.

Agora, o trabalho da Libbrecht sobre a neve se cristalizou em um novo modelo que tenta explicar porque os flocos de neve e outros cristais de neve formam a forma como eles formam. Seu modelo, detalhado em um artigo que ele colocou online em outubro, descreve a dança das moléculas de água perto do ponto de congelamento e como os movimentos particulares dessas moléculas podem ser responsáveis pela panóplia de cristais que se formam sob diferentes condições. Em uma monografia separada, de 540 páginas, Libbrecht descreve todo o conhecimento sobre cristais de neve. Douglas Natelson, um físico de matéria condensada da Universidade de Rice, chamou a nova monografia de “tour de force”.”

“Como um trabalho”, disse Natelson, “rapaz, é lindo”.”

Six-Cornered Starlets

Todos sabem que não há dois flocos de neve iguais, um fato que deriva da forma como os cristais cozinham no céu. A neve é um aglomerado de cristais de gelo que se formam na atmosfera e mantêm sua forma enquanto caem coletivamente sobre a Terra. Eles se formam quando a atmosfera é fria o suficiente para evitar que se fundam ou derretam e se transformem em chuva ou chuva.

Embora uma nuvem contenha muitas temperaturas e níveis de umidade, essas variáveis são tão boas quanto constantes em um único floco de neve. É por isso que o crescimento dos flocos de neve é muitas vezes simétrico. Por outro lado, cada floco de neve é fustigado pela mudança dos ventos, da luz solar e outras variáveis, observa Mary Jane Shultz, uma química da Universidade Tufts que publicou um ensaio recente sobre a física dos flocos de neve. Como cada cristal se submete ao caos de uma nuvem, todos eles assumem formas ligeiramente diferentes, explica ela.

As primeiras gravações sobre essas delicadas formas datam de 135 a.C. na China, segundo pesquisa da Libbrecht. “Flores de plantas e árvores são geralmente de cinco pontas, mas as de neve, que são chamadas de ying, são sempre de seis pontas”, escreveu o estudioso Han Yin. Mas o primeiro cientista a tentar entender porque isso acontece foi provavelmente Johannes Kepler, o cientista e polimata alemão.

Em 1611, Kepler ofereceu um presente de Ano Novo ao seu patrono, o Santo Imperador Romano Rudolf II: um ensaio chamado “O Floco de Neve de seis pontas”. Kepler escreve que notou um floco de neve na sua lapela ao atravessar a ponte Charles Bridge de Praga e não pôde deixar de musealizar a sua geometria. “Deve haver uma causa pela qual a neve tem a forma de uma estrela de seis nascentes. Não pode ser por acaso”, escreveu ele.

Ele teria lembrado uma carta de seu contemporâneo Thomas Harriot, um cientista e astrônomo inglês que, entre muitos papéis, serviu como navegador para o explorador Sir Walter Raleigh. Por volta de 1584, Harriot procurou a forma mais eficiente de empilhar bolas de canhão no convés do navio Raleigh. Os padrões hexagonais pareciam a melhor maneira de empacotar as esferas de perto, Harriot encontrou, e ele correspondeu sobre isso com Kepler. Kepler se perguntava se algo semelhante estava acontecendo em flocos de neve e se seus seis lados poderiam ser fixados no arranjo da “menor unidade natural de um líquido como a água”.”

Foi uma notável visão inicial da física atômica, uma que não seria formalizada por mais 300 anos. De fato, moléculas de água, com seus dois hidrogênios e um oxigênio, tendem a travar juntas para formar matrizes hexagonais. Kepler e seus contemporâneos não poderiam saber o quanto isso importa. “Devido à ligação de hidrogênio e aos detalhes de como as moléculas interagem entre si, você tem essa estrutura de cristal comparativamente aberta”, disse Natelson. Além de ajudar no crescimento de flocos de neve, essa estrutura hexagonal torna o gelo menos denso que a água líquida, o que afeta enormemente a geoquímica, a geofísica e o clima. De acordo com Natelson, se o gelo não flutuasse, “a vida na Terra não seria possível”

Após o tratado de Kepler, a observação de flocos de neve continuou sendo mais um hobby do que uma ciência. Na década de 1880, um fotógrafo americano chamado Wilson Bentley – da fria e de qualidade aldeia produtora de neve de Jericó, Vermont – começou a fazer as primeiras imagens de cristal de neve usando placas fotográficas. Ele produziu mais de 5.000 imagens antes de eventualmente sucumbir à pneumonia.

Então, nos anos 30, o pesquisador japonês Ukichiro Nakaya iniciou um estudo sistemático dos diferentes tipos de cristais de neve. Em meados do século XX, Nakaya estava produzindo flocos de neve em laboratório, usando pêlos de coelho individuais para suspender cristais de geada em ar refrigerado, onde eles podiam crescer em flocos de neve de verdade. Ele mexeu na umidade e temperatura para cultivar os dois principais tipos de cristais e montou seu catálogo seminal de possíveis formas. Nakaya descobriu que as estrelas tendem a se formar a -2 graus Celsius e -15 C. As colunas se formam a -5 C e novamente a cerca de -30 C. Em baixa umidade, as estrelas formam poucos ramos e lembram placas hexagonais, mas em alta umidade, as estrelas crescem mais intrincadas, desenhos rendilhados.

De acordo com a Libbrecht, a razão para as várias formas de cristais também começou a entrar em foco após o trabalho pioneiro de Nakaya. Os cristais crescem em estrelas e placas planas (em vez de estruturas tridimensionais) quando as bordas crescem rapidamente para fora, enquanto as faces crescem lentamente para cima. Colunas finas crescem de uma forma diferente, com faces de crescimento rápido e bordas de crescimento mais lento.

Mas os processos atômicos subjacentes que ditam se os cristais de neve terão a forma de estrelas ou colunas permanecerão opacos. “O que muda com a temperatura?” disse Libbrecht. “Tenho tentado juntar tudo isso”.

Receita de flocos de neve

Libbrecht e o muito pequeno quadro de pesquisadores que estudam esse problema têm tentado inventar uma receita de flocos de neve, por assim dizer – um conjunto de equações e parâmetros que podem ser alimentados por um supercomputador que então cuspiria a esplêndida variedade de flocos de neve que realmente vemos.

Libbrecht iniciou a busca há duas décadas, após aprender a forma exótica de floco de neve chamada de coluna de tampas. Parece um carretel vazio, ou duas rodas e um eixo. Como um nativo do Dakota do Norte, ele ficou chocado, perguntando-se: “Como eu nunca tinha visto um desses?”. Fascinado com as infinitas formas de neve, ele começou a entender a natureza deles para um livro de ciência popular que mais tarde publicou, e começou a tirar fotos também. Logo, ele estava a mexer no equipamento de cultivo de flocos de neve no seu laboratório. Seu novo modelo é o resultado de observações feitas ao longo de décadas que ele diz que recentemente começou a gelar.

Sua descoberta chave foi uma idéia chamada difusão molecular de energia de superfície, que descreve como o crescimento de um cristal de neve depende das condições iniciais e comportamento das moléculas que o formam.

Magine moléculas de água dispostas soltas, pois o vapor de água começa a congelar. Se você estivesse de alguma forma vendo isso de um pequeno observatório, você veria as moléculas de água gelada começarem a formar uma malha rígida, com cada átomo de oxigênio cercado por quatro átomos de hidrogênio. Estes cristais crescem incorporando moléculas de água do ar circundante no seu padrão. Eles podem crescer em duas direções principais: para cima ou para fora.

Um cristal fino e plano (em forma de placa ou de estrela) se forma quando as bordas da corda em material mais rapidamente do que as duas faces do cristal. O cristal em expansão irá se espalhar para fora. Entretanto, quando suas faces crescem mais rápido que suas bordas, o cristal cresce mais alto, formando uma agulha, coluna oca ou haste.

De acordo com o modelo da Libbrecht, o vapor de água primeiro se instala nos cantos do cristal, depois se difunde sobre a superfície até a borda do cristal ou até suas faces, fazendo com que o cristal cresça para fora ou para cima, respectivamente. Qual desses processos ganha à medida que vários efeitos superficiais e instabilidades interagem, depende principalmente da temperatura.

Tudo isso acontece apenas no gelo, um mineral incomum, devido a um fenômeno chamado “pré-fusão”. Como o gelo de água é normalmente encontrado próximo do seu ponto de fusão, as camadas superiores são líquidas e desordenadas. A pré-fusão ocorre de forma diferente nas faces e bordas em função da temperatura, embora os detalhes disso não sejam completamente compreendidos. “Esta é a parte do modelo em que eu apenas o invento inteiro”, disse Libbrecht – embora ele diga que o quadro físico geral parece plausível.

Seu novo modelo é “semi-empírico”, parcialmente afinado para combinar observações ao invés de explicar o crescimento de flocos de neve partindo inteiramente dos primeiros princípios. As instabilidades e as interações entre inúmeras moléculas são muito complicadas para serem desvendadas por completo. Mas ele espera que suas idéias formem a base de um modelo abrangente de dinâmica de crescimento do gelo, que pode ser enxaguado por medições e experimentos mais detalhados.

Embora o gelo seja especialmente estranho, questões semelhantes surgem na física da matéria condensada de forma mais geral. Moléculas de drogas, chips semicondutores para computadores, células solares e inúmeras outras aplicações dependem de cristais de alta qualidade, e grupos inteiros de pesquisadores se concentram no básico do crescimento de cristais.

Meenesh Singh é um desses pesquisadores, na Universidade de Illinois, Chicago. Em um trabalho recente, Singh e um coautor identificaram um novo mecanismo que poderia estar por trás do crescimento de cristais em solventes, em oposição à cristalização de mudança de fase da neve e gelo da Libbrecht. Na cristalização de solventes, os materiais sólidos são dissolvidos em uma solução como água ou outro líquido. Ao ajustar a temperatura e adicionar outros solventes, os fabricantes podem cristalizar novas moléculas de drogas ou produzir novos cristais para células solares, e assim por diante.

“Todas as aplicações relativas ao crescimento de cristais são tratadas empiricamente”, disse Singh. “Você tem certos dados empíricos, e usando essa informação, você tenta explicar como um cristal cresceria”. Mas não está claro, disse ele, como uma molécula na solução se integra a um cristal. “O que realmente leva uma molécula a fazer isso? Porque iria eu a um cristal? Se você começa a se perguntar, isso cria muitas perguntas, e essas perguntas não são respondidas”

Libbrecht acredita que melhores experimentos e simulações computadorizadas mais sofisticadas vão responder muitas perguntas sobre o crescimento de cristais nos próximos anos. “Algum dia, você poderá fazer um modelo molecular inteiro até o átomo e ver esses fenômenos acontecendo, até a mecânica quântica”, disse ele.

Embora ele tente desvendar a física, ele ainda gosta de fotografia de cristais de neve e da viagem que a acompanha. Mas ultimamente, ele tem ficado no ensolarado sul da Califórnia, onde montou um sofisticado sistema para o cultivo de flocos de neve em seu laboratório. Aos 61 anos, ele está se aproximando da aposentadoria, o que significa, ele disse: “Estou jogando fora as grilhetas dos meus outros trabalhos”. A partir de agora só vou fazer gelo”

Estória original reimpressa com permissão da Quanta Magazine, uma publicação editorialmente independente da Simons Foundation, cuja missão é melhorar a compreensão pública da ciência, cobrindo os desenvolvimentos e tendências da pesquisa em matemática e ciências físicas e da vida.

Mais Grandes Histórias de WIRED

• Onde a tempestade de dados 5G vai atingir primeiro
• Como aprendemos a amar o vapor pedagógico de STEM
• Que 5,Peça de chiclete de 700 anos revela sobre a sua torrefação
• Conheça os ativistas arriscando a prisão para filmar VR em fazendas de fábrica
• Ponte seus pensamentos com essas grandes aplicações de tomada de notas
• 👁 Será que a IA como um campo “baterá na parede” em breve? Além disso, as últimas notícias sobre inteligência artificial
• 💻 Atualize seu jogo de trabalho com os laptops, teclados, alternativas de digitação e fones de ouvido com cancelamento de ruído favoritos da nossa equipe Gear